【論文筆記+復現踩坑】End-to-end Recovery of Human Shape and Pose(CVPR 2018)
PS. 這裡做的論文筆記主要是為自己方便回顧。
概述
做了什麼：引入一個端到端的Human Mesh Recovery框架，從包含人體的RGB點陣圖中重建出一個SMPL的3D網格，並嘗試重新投影回圖片上
目的：最小化關鍵點的重投影損失，使得我們可以使用只帶2D準確標註的戶外場景影象就能進行訓練
難點：
- 缺乏自然場景下的大規模ground truth的3D資料集
- 單視角下2D到3D對映所固有的模糊性（缺乏深度資訊），可能會導致產生的模型異常，如自相交、異常的人體姿勢等情況
- 預測相機視角又會在人體大小和攝像機的距離建引入額外的scale ambiguity
- 旋轉的迴歸問題
關鍵點：
- 在從圖片推斷出3D人體模型後，將它重投影到2D圖片上計算2D損失
- 引入生成對抗網路(GANs)，通過訓練鑑別器來推斷生成的3D人體模型是否為真人，且形體姿勢是否合理（需要3D訓練集）（鑑別器能夠學到3D關節角度的限制）
- 由於尤拉角旋轉表示法存在多對一的對映，轉換成旋轉矩陣可以保證其唯一性
優點：
- 直接從影象推斷出SMPL引數
- 可以直接生成網格
- 方法是端到端的
- 可以不需要使用配對的2D-3D資料集，並且不依賴中間2D關鍵點偵測
現有的一些從2D圖片恢復人體3D網格的方法專注於恢復人體3D關節點的座標位置。但問題在於：
- 關節點是離散的，但人體在3D空間的表示是密集連續的
- 3D關節點位置本身並不能約束每個關鍵點之間的關係，僅通過這些位置並不能很好的預測人體姿勢和體型
論文的做法：
- 為kinematic tree中的每個3D關鍵點輸出相對的3D旋轉矩陣，來捕獲3D的頭部和肢體角度方向。預測角度還可以確定肢體的對稱性和肢體長度等資訊的合理性
- 該模型從3D人體模型資料集中能夠學習到3D關節角度的限制
論文具體做法
資料集輸入：帶2D關節點Ground Truth的影象資料
Encoder
使用ResNet-50網路對影象進行編碼
- Input：224x224 RGB影象
- Output：經過平均池化後的特徵\(\phi\in\mathbf{R}^{2048}\)
3D Regression
-
Input：concat後的\([\phi, \Theta_t]\)
，初始的\(\Theta_0\)源自neutral_smpl_mean_param.h5 -
Layer 1：
Linear(2048 + 85, 1024), ReLU(), Dropout(0.5) -
Layer 2：
Linear(1024, 1024), ReLU(), Dropout(0.5) -
Layer 3：
Linear(1024, 85) -
Output：\(\Delta\Theta_t\)
Iterative error feedback(IEF)：計算出殘差\(\Delta\Theta_t\)後進行加法更新：\(\Theta_{t+1}=\Theta_{t} + \Delta\Theta_t\)
其中\(\Theta=\{\mathbf{\theta}, \mathbf{\beta}, R, t, s\}, \mathbf{\theta}\in\mathbf{R}^{3K}, \mathbf{\beta}\in\mathbf{R}^{10},R\in\mathbf{R}^{3},t\in\mathbf{R}^{2},s\in\mathbf{R}\).K=23，θSMPL關節點的軸角，β控制SMPL體型，R為全域性軸角，t為攝像機xy平面的平移量，s為攝像機的縮放量
\(M(\mathbf{\theta}, \mathbf{\beta})\)：代表SMPL模型的N=69803D頂點
\(X(\mathbf{\theta}, \mathbf{\beta})\)：代表SMPL模型的23個3D關節點
對3D關節點的投影：\(\hat{\mathbf{x}}=s\Pi(RX(\mathbf{\theta}, \mathbf{\beta})) + t\)，\(\Pi\)為正交投影
損失函式：
如果有3D ground truth，則對應的annotation為\([\mathbf{\beta}, \mathbf{\theta}]\)。網路輸出則為\([\hat{\mathbf{\beta}}, \hat{\mathbf{\theta}}]\)
- 2D Loss：\(L_{reproj}=\sum_i\parallel v_i(\mathbf{x}_i - \hat{\mathbf{x}}_i)\parallel_{1}\)，\(v_i\)為2D關節點i的可視性（1可見，0不可見）
- 3D SMPL Loss：\(L_{smpl}=\parallel[\mathbf{\beta_i}, \mathbf{\theta_i}] - [\hat{\mathbf{\beta_i}}, \hat{\mathbf{\theta_i}}]\parallel_2^2\)
- 3D Joint Loss：\(L_{joints}=\parallel(\mathbf{X}_i - \hat{\mathbf{X}}_i)\parallel_2^2\)
- 3D Loss：\(L_{3D}=L_{smpl}+L_{joints}\)
Discriminator
- Input：\(\beta, \theta\)
Shape Discriminator：
- Layer 1：
Linear(10, 5), ReLU() - Layer 2：
Linear(5, 1)
Pose Discriminator（C=9是因為軸角變成旋轉矩陣）：
-
Input：
NHWC = [N, 23, 1, 9] -
Layer 1：
Conv2d(out_c=32, k=1x1), ReLU() -
Layer 2：
Conv2d(out_c=32, k=1x1), ReLU()For pose respectively(K)：
- Layer 3：
[N, 1, 1, 32]---Fully Connected--->Linear(32, 1)--->[N, 1]
For all pose(1)：
- Layer 3：
[N, 23, 1, 32]=FC1024, ReLU() =>[N, 1024] - Layer 4：
FC1024, ReLU() - Layer 5：
FC1
- Layer 3：
Total：K+2 Discriminator
損失函式：
- Adversarial Loss for the encoder：\(min L_{adv}(E)=\sum_i\mathbf{E_{\Theta\sim p_E}[(D_i(E(I))-1)^2]}\)
- Objective for each discriminator：\(min L(D_i)=\sum_{i}\mathbf{E_{\Theta\sim p_{data}}}[(D_i(\Theta)-1)^2] + \mathbf{E_{\Theta\sim p_E}}[D_i(E(I))^2]\)
- Objective for encoder：\(L=\lambda(L_{reproj}+\mathbf{1}\ L_{3D})+L_{adv}\)，這裡1代表是否有ground truth 3D資料
實驗
評價指標：
- Reconstruction： mean per joint position error(MPJPE) 、 Reconstruction error、PCK、AUC
- Part segmentation： Acc、F1-score
測試資料集：Human3.6M，MPI-INF-3DHP
實驗方法：
- T1、T2：對Human3.6M用不同方法評估Reconst. Error
- T3：對MPI-INF-3DHP，控制剛體對齊
- T4：部件分割
- Fig：對比使用/不使用配對的2D-to-3D監督
復現Demo踩坑
踩這個專案的坑踩了我好久，這裡把環境配置的過程簡單整理下。
復現主要環境：
- Linux Ubuntu 18.04
- Anaconda3
- Python2.7
先按順序安裝下面這些包：
| 包 | 版本 | 安裝源 |
|---|---|---|
| cudatoolkit | 9.0 | conda |
| cudnn | 7.6.5 | conda |
| numpy | 1.14.0 | pip |
| tensorflow-gpu | 1.12.0 | pip |
numpy的版本不要太新，不然後續編譯使用opencv2可能會帶來一系列麻煩。
tensorflow-gpu使用的是專案推薦的版本
然後用下面的程式碼測試即可，得到True為成功：
import tensorflow as tf
print(tf.test.is_gpu_available())
編譯安裝opencv2
為了使用cmake編譯opencv2，這裡需要先安裝一些東西：
$ sudo apt-get install build-essential
$ sudo apt-get install cmake
$ sudo apt-get install pkg-config
因為我們用的是python2.7，pip提供的opencv-python主要都是給python3.x用的，為此我們需要自己編譯一個。
這裡我選擇的是opencv-2.4.13.6的版本：https://gitee.com/dhfhub/opencv/tree/2.4.13.6/
下載zip後解壓，終端跳到目錄opencv-2.4.13.6內，新建資料夾並進入，執行cmake。注意一定要是在hmr的虛擬環境下進行：
$ mkdir build
$ cd build
$ cmake -D CMAKE_BUILD_TYPE=RELEASE -D CMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local ../opencv
生成完畢後，開始安裝：
$ sudo make install
安裝完畢後執行python測試opencv2，此時應該沒有問題：
$ python
>>> import cv2
安裝剩餘包
為了編譯安裝opendr，需要先執行下面命令安裝：
$ sudo apt install libosmesa6-dev
$ sudo apt-get install build-essential
$ sudo apt-get install libgl1-mesa-dev
$ sudo apt-get install libglu1-mesa-dev
$ sudo apt-get install freeglut3-dev
最後根據hmr專案裡的requirements.txt來完成剩餘安裝：
| 包 | 版本 | 安裝源 |
|---|---|---|
| scipy | 1.2.3(預設最新) | pip |
| opendr | 0.78(預設最新，不能是0.77) | pip |
| matplotlib | 2.2.5(預設最新) | pip |
| scikit-image | 0.14.5(預設最新) | pip |
| deepdish | 0.3.6(預設最新) | pip |
| absl-py | 0.10.0(預設最新) | pip |
| ipdb | 0.13.4(預設最新) | pip |
| tensorflow-estimator | 1.10.12(降級避免出現ts.estimator找不到問題) | pip |
嘗試執行
回到hmr專案的目錄，執行：
$ wget https://people.eecs.berkeley.edu/~kanazawa/cachedir/hmr/models.tar.gz && tar -xf models.tar.gz
獲取模型檔案後解壓到hmr資料夾內，得到models的資料夾
然後嘗試執行：
$ python -m demo --img_path data/coco1.png
此時可能還有一個報錯：
TypeError: load() got an unexpected keyword argument 'encoding'
python-BaseException
Process finished with exit code 1
找到src/tf_smpl/batch_smpl.py,將dd = pickle.load(f, encoding="latin-1")裡的encoding部分刪掉，然後再嘗試再次執行。這時候應該能跑出結果了。
執行：
$ python -m demo --img_path data/im1954.jpg